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CN114603845A - 一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3d打印头 - Google Patents

一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3d打印头 Download PDF

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CN114603845A
CN114603845A CN202210222701.4A CN202210222701A CN114603845A CN 114603845 A CN114603845 A CN 114603845A CN 202210222701 A CN202210222701 A CN 202210222701A CN 114603845 A CN114603845 A CN 114603845A
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孙畅宁
张益涵
王玲
李涤尘
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，包括混料模块，混料模块的进料口和压电陶瓷进料模块、聚合物进料模块的出料口连接，混料模块的出料口和极化模块的进料口连接，极化模块的出料口和材料挤出模块的进料口连接，极化模块连接在桁架部分上；使用时先加热混料模块和极化模块；聚合物材料、压电陶瓷材料进入混料模块混合，在螺杆的推动下进入极化模块进行极化，形成被极化的压电陶瓷/聚合物复合材料的丝材，随着3D打印机的打印过程，压电陶瓷/聚合物复合材料丝材按照3D打印方法成型零件；本发明实现压电陶瓷/聚合物复合材料零件3D打印成型，能够得到各部位材料组成和压电性能不同的大尺寸三维制件。

Description

一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头
技术领域
本发明属于压电复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头。
背景技术
陶瓷压电材料由于其优越的性能及特性，广泛应用于电子、信息、宇航等高技术领域，但压电陶瓷材料存在脆性大，加工难的问题，极大地限制了其在工程结构上的应用；聚合物具有流动性好、成型方便、加工性好，能够增强复合材料的粘接性、耐腐蚀性、加工性并可对其结构进行设计等优点；3D打印技术是指打印头在程序控制下，按照当前层的截面信息进行材料填充制造，然后再通过层层累加快速制造出所需零件，可制造任意复杂零件以及拥有较好的打印自由度；因此，使用3D打印的制造方法，选择合适的高分子聚合物与压电陶瓷复材料，制造优异性能的压电复合材料零件有着极大的实际应用价值。
压电复合材料3D打印的工艺过程根据极化处理与3D打印成形过程的关系，可分为制造前极化、制造后极化和在线极化三类。目前的压电复合材料的3D打印的工艺过程中存在以下三个问题：
一、由于压电材料存在居里点温度，高于该温度会导致压电效应丧失，因此制造前极化仅能用于制造过程中材料不受热的3D打印工艺，同时也限制了材料的选择。
二、制造后极化在零件制作方面与常规陶瓷及其复合材料3D打印工艺完全相同，零件制备完成后再进行极化处理，但是由于极化设备的电压限制，无法实现大尺寸零件的极化；同时将零件置于电场中整体极化的方式使得这个零件的电畴方向，极化程度趋于一致，不能实现零件对压电性能的可编程制造。
三、现有的3D打印在线极化方法中，主要有空气接触极化辅助3D打印(Kim H,Fernando T,Li MY,et al.Fabrication and characterization of 3D printed BaTiO3/PVDF nanocomposites[J].Journal of Composite Materials,2018,52(2):197-206.)和电晕极化辅助3D打印(Kim H,Torres F,Wu Y,et al.Integrated 3D printing andcorona poling process of PVDF piezoelectric films for pressure sensorapplication[J].Smart Materials and Structures,2017,26(8):085027.)。空气接触极化辅助3D打印，通过在材料挤出成形设备的基板和喷嘴间施加静电场，通过空气接触极化的方法对打印过程中的零件进行极化处理，但受空气击穿电场限制，仅适用于薄膜类零件(Lee C,Tarbutton JA.Electric poling-assisted additive manufacturing processfor PVDF polymer-based piezoelectric device applications[J].Smart Materialsand Structures,2014,23(9):095044.)。电晕极化辅助3D打印，通过喷头处的电晕针尖电离空气，进而对压电材料极化处理，但电晕极化仅能用于表层压电材料的极化，对嵌入在非压电聚合物中的压电陶瓷的极化能力不足。因此，可见现有的两种在线极化3D打印的方法也是难以用于三维大尺寸零件3D打印过程中的极化处理，同时也缺乏对压电性能的可编程调控的能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，满足了压电陶瓷/聚合物复合材料三维大尺寸零件的在线极化3D打印，且具备压电性能的可编程调控的能力，为压电陶瓷/聚合物复合材料探索出新的在线极化3D打印工艺。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，包括混料模块1，混料模块1的进料口和压电陶瓷进料模块5、聚合物进料模块6的出料口连接，混料模块1的出料口和极化模块2的进料口连接，极化模块2的出料口和材料挤出模块3的进料口连接，极化模块2连接在桁架部分4上。
所述的混料模块1包括熔体腔1-7，熔体腔1-7的上侧进料口1-1连接聚合物进料模块6，熔体腔1-7的下侧进料口1-8连接压电陶瓷进料模块5，熔体腔1-7内设有螺杆1-4，螺杆1-4通过减速器1-3和送料伺服电机1-2连接，送料伺服电机1-2安装在熔体腔1-7的上方；所述的熔体腔1-7内设有第一加热管1-5和第一热敏传感器1-6，用于维持熔体腔1-7的温度恒定。
所述的极化模块2包括恒温壳体2-7，恒温壳体2-7上方和熔体腔1-7下端连接，恒温壳体2-7内部连接有喉管2-2，喉管2-2入口和熔体腔1-7出口连通；喉管2-2外部平行设置的电极片2-5，电极片2-5通过其外侧的绝缘垫块2-4及绝缘垫片2-3支撑固定在恒温壳体2-7内；恒温壳体2-7内设有第二加热管2-8和第二热敏传感器2-1，用于维持极化模块2的温度恒定。
所述的电极片2-5外接高压电时，产生用于极化的平行电场，通过改变外部电压实时控制电极片2-5之间的静电场强度。
所述的桁架部分4包括桁架4-1，恒温壳体2-7安装在桁架4-1上，并用桁架固定螺丝4-2固定。
所述的材料挤出模块3包括铜嘴3-1，铜嘴3-1连接在恒温壳体2-7底部，铜嘴3-1入口和喉管2-2出口连接。
所述的聚合物进料模块6、压电陶瓷进料模块5出口处设有第二材料单向控制阀6-2、第一材料单向控制阀5-2，聚合物进料模块6、压电陶瓷进料模块5进口处设有第二材料定量进给器6-1、第一材料定量进给器5-1，控制压电陶瓷-聚合物复合材料两种材料的组成配比。
所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)将在线极化打印头安装在3D打印机中，在聚合物进料模块6和压电陶瓷进料模块5内装入材料，分别给第一加热管1-5和第二加热管2-8通电，加热至熔体腔1-7内温度超过聚合物材料熔点温度，恒温壳体2-7达到预设的极化温度；
2)聚合物材料在第二材料单向控制阀6-2的作用下，进入混料模块1，在熔体腔1-7的加热下成为熔融状态，并在螺杆1-4的推动下向极化模块2方向运动；
3)压电陶瓷材料在第一材料单向控制阀5-2的作用下，从下侧进料口1-8进入到熔体腔1-7与聚合物材料混合，然后在螺杆1-4的推动下，进入喉管2-2进行极化处理；
4)通过电极片2-5产生高压静电场，聚合物材料熔体充当电介质的同时为压电陶瓷提供高温环境，构成了极化所需要素，为极化压电陶瓷颗粒提供极化环境，使得复合材料中的压电陶瓷颗粒电畴方向趋于一致；
5)完成极化的压电陶瓷-聚合物复合材料最终从铜嘴3-1中挤出，形成被极化的压电陶瓷-聚合物陶瓷丝材，随着3D打印机的打印过程，压电陶瓷-聚合物复合材料丝材按照3D打印方法成型零件。
所述的打印过程使用的G代码中添加了能够实现控制送料伺服电机、极化温度、极化场强的代码，从而实现材料组分、力学性能和压电性能的调控。
所述的聚合物采用聚合物颗粒或聚合物丝料，压电陶瓷材料采用压电陶瓷颗粒，在使用过程中提前使用制丝机，将聚合物颗粒与压电陶瓷颗粒制成聚合物-压电复合材料的丝材，从上侧料口处1-1送入聚合物-压电复合材料的丝材，同时在上侧进料口1-1外连接送丝装置。
本发明的有益效果为：
本发明结合了静电场极化原理及材料挤出成型3D打印原理，能够在压电陶瓷-聚合物复合材料成型过程中完成对零件材料的极化；不仅能够实现大尺寸压电复合材料零件的制造，也能通过控制第二材料定量进给器6-1、第一材料定量进给器5-1实现待复合材料的实时定量供给，通过改变外部电压实时控制电极片2-5之间的静电场强度，从而得到各部位材料组成和压电性能不同的制件，满足了零件对力学和电学性能多样性的需求。
附图说明
图1是本发明在线极化3D打印头的整体结构示意图。
图2为本发明在线极化3D打印头进料混料部分的结构示意图。
图3为本发明在线极化3D打印头极化挤出部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，但本发明的实施方式不仅限于此。
如图1所示，一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，包括混料模块1，混料模块1的进料口和压电陶瓷进料模块5、聚合物进料模块6的出料口连接，混料模块1的出料口和极化模块2的进料口连接，极化模块2的出料口和材料挤出模块3的进料口连接，极化模块2连接在桁架部分4上。
如图1和图2所示，所述的混料模块1包括熔体腔1-7，熔体腔1-7的上侧进料口1-1连接聚合物进料模块6，熔体腔1-7的下侧进料口1-8连接压电陶瓷进料模块5，聚合物进料模块6、压电陶瓷进料模块5出口处设有第二材料单向控制阀6-2、第一材料单向控制阀5-2，防止回流；聚合物进料模块6、压电陶瓷进料模块5进口处设有第二材料定量进给器6-1、第一材料定量进给器5-1，控制压电陶瓷-聚合物复合材料两种材料的组成配比；熔体腔1-7内设有螺杆1-4，螺杆1-4通过减速器1-3和送料伺服电机1-2连接，送料伺服电机1-2安装在熔体腔1-7的上方，送料伺服电机1-2带动螺杆1-4旋转使复合材料向极化模块2方向运动；所述的熔体腔1-7内设有第一加热管1-5和第一热敏传感器1-6，用于维持熔体腔1-7的温度恒定。
如图1和图3所示，所述的极化模块2包括恒温壳体2-7，恒温壳体2-7上方和熔体腔1-7下端连接，恒温壳体2-7内部连接有喉管2-2，喉管2-2入口和熔体腔1-7出口连通；喉管2-2外部平行设置的电极片2-5，电极片2-5外接高压电时，产生用于极化的平行电场，通过改变外部电压实时控制电极片2-5之间的静电场强度；电极片2-5通过其外侧的绝缘垫块2-4及绝缘垫片2-3支撑固定在恒温壳体2-7内；恒温壳体2-7内设有第二加热管2-8和第二热敏传感器2-1，用于维持极化模块2的温度恒定。
所述的桁架部分4包括桁架4-1，恒温壳体2-7安装在桁架4-1上，并用桁架固定螺丝4-2固定。
所述的材料挤出模块3包括铜嘴3-1，铜嘴3-1连接在恒温壳体2-7底部，铜嘴3-1入口和喉管2-2出口连接，将极化后的压电陶瓷-聚合物复合材料挤出。
所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)将在线极化打印头安装在3D打印机中，在聚合物进料模块6和压电陶瓷进料模块5内装入材料，分别给第一加热管1-5和第二加热管2-8通电，加热至熔体腔1-7内温度超过聚合物材料熔点温度，恒温壳体2-7达到预设的极化温度；
2)聚合物材料在第二材料单向控制阀6-2的作用下，进入混料模块1，在熔体腔1-7的加热下成为熔融状态，并在螺杆1-4的推动下向极化模块2方向运动；
3)压电陶瓷材料在第一材料单向控制阀5-2的作用下，从下侧进料口1-8进入到熔体腔1-7与聚合物材料混合，然后在螺杆1-4的推动下，进入喉管2-2进行极化处理；
4)通过电极片2-5产生高压静电场，聚合物材料熔体充当电介质的同时为压电陶瓷提供高温环境，构成了极化所需要素，为极化压电陶瓷颗粒提供极化环境，使得复合材料中的压电陶瓷颗粒电畴方向趋于一致；
5)完成极化的压电陶瓷-聚合物复合材料最终从铜嘴3-1中挤出，形成被极化的压电陶瓷-聚合物陶瓷丝材，随着3D打印机的打印过程，压电陶瓷-聚合物复合材料丝材按照3D打印方法成型零件；打印过程使用的G代码中添加了能够实现控制送料伺服电机、极化温度、极化场强的代码，从而实现材料组分、力学性能和压电性能的调控。
所述的聚合物采用聚合物颗粒或聚合物丝料，压电陶瓷材料采用压电陶瓷颗粒，在使用过程中能够提前使用制丝机，将聚合物颗粒与压电陶瓷颗粒制成聚合物-压电复合材料的丝材，从上侧料口处1-1送入聚合物-压电复合材料的丝材，同时在上侧进料口1-1外连接送丝装置。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：包括混料模块(1)、极化模块(2)和材料挤出模块(3)，混料模块(1)的进料口和压电陶瓷进料模块(5)、聚合物进料模块(6)的出料口连接，混料模块(1)的出料口和极化模块(2)的进料口连接，极化模块(2)的出料口和材料挤出模块(3)的进料口连接，极化模块(2)连接在桁架部分(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的混料模块(1)包括熔体腔(1-7)，熔体腔(1-7)的上侧进料口(1-1)连接聚合物进料模块(6)，熔体腔(1-7)的下侧进料口(1-8)连接压电陶瓷进料模块(5)，熔体腔(1-7)内设有螺杆(1-4)，螺杆(1-4)通过减速器(1-3)和送料伺服电机(1-2)连接，送料伺服电机(1-2)安装在熔体腔(1-7)的上方；所述的熔体腔(1-7)内设有第一加热管(1-5)和第一热敏传感器(1-6)，用于维持熔体腔(1-7)的温度恒定。
3.根据权利要求2所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的极化模块(2)包括恒温壳体(2-7)，恒温壳体(2-7)上方和熔体腔(1-7)下端连接，恒温壳体(2-7)内部连接有喉管(2-2)，喉管(2-2)入口和熔体腔(1-7)出口连通；喉管(2-2)外部平行设置电极片(2-5)，电极片(2-5)通过其外侧的绝缘垫块(2-4)及绝缘垫片(2-3)支撑固定在恒温壳体(2-7)内；恒温壳体(2-7)内设有第二加热管(2-8)和第二热敏传感器(2-1)，用于维持极化模块(2)的温度恒定。
4.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的电极片(2-5)外接高压电时，产生用于极化的平行电场，通过改变外部电压实时控制电极片(2-5)之间的静电场强度。
5.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的桁架部分(4)包括桁架(4-1)，恒温壳体(2-7)安装在桁架(4-1)上，并用桁架固定螺丝(4-2)固定。
6.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的材料挤出模块(3)包括铜嘴(3-1)，铜嘴(3-1)连接在恒温壳体(2-7)底部，铜嘴(3-1)入口和喉管(2-2)出口连接。
7.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其特征在于：所述的聚合物进料模块(6)、压电陶瓷进料模块(5)出口处设有第二材料单向控制阀(6-2)、第一材料单向控制阀(5-2)，聚合物进料模块(6)、压电陶瓷进料模块(5)进口处设有第二材料定量进给器(6-1)、第一材料定量进给器(5-1)，控制压电陶瓷-聚合物复合材料两种材料的组成配比。
8.权利要求7所述的一种压电陶瓷/聚合物复合材料在线极化3D打印头，其使用方法特征在于，包括下列步骤：
1)将在线极化打印头安装在3D打印机中，在聚合物进料模块(6)和压电陶瓷进料模块(5)内装入材料，分别给第一加热管(1-5)和第二加热管(2-8)通电，加热至熔体腔(1-7)内温度超过聚合物材料熔点温度，恒温壳体(2-7)达到预设的极化温度；
2)聚合物材料在第二材料单向控制阀(6-2)的作用下，进入混料模块(1)，在熔体腔(1-7)的加热下成为熔融状态，并在螺杆(1-4)的推动下向极化模块2方向运动；
3)压电陶瓷材料在第一材料单向控制阀(5-2)的作用下，从下侧进料口(1-8)进入到熔体腔(1-7)与聚合物材料混合，然后在螺杆(1-4)的推动下，进入喉管(2-2)进行极化处理；
4)通过电极片(2-5)产生高压静电场，聚合物材料熔体充当电介质的同时为压电陶瓷提供高温环境，构成了极化所需要素，为极化压电陶瓷颗粒提供极化环境，使得复合材料中的压电陶瓷颗粒电畴方向趋于一致；
5)完成极化的压电陶瓷-聚合物复合材料最终从铜嘴(3-1)中挤出，形成被极化的压电陶瓷-聚合物陶瓷丝材，随着3D打印机的打印过程，压电陶瓷-聚合物复合材料丝材按照3D打印方法成型零件。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述的打印过程使用的G代码中添加了能够实现控制送料伺服电机、极化温度、极化场强的代码，从而实现材料组分、力学性能和压电性能的调控。
10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述的聚合物采用聚合物颗粒或聚合物丝料，压电陶瓷材料采用压电陶瓷颗粒，在使用过程中提前使用制丝机，将聚合物颗粒与压电陶瓷颗粒制成聚合物-压电复合材料的丝材，从上侧料口处(1-1)送入聚合物-压电复合材料的丝材，同时在上侧进料口(1-1)外连接送丝装置。
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